摘  要： 基于以太網(wǎng)的嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在許多領(lǐng)域被普遍采用，系統(tǒng)的傳輸效率需要提高。基于ARM Cortex-M4內(nèi)核和常用的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧LwIP，針對點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，采用了零數(shù)據(jù)拷貝技術(shù)并對UDP協(xié)議加以優(yōu)化改進(jìn)，大大提高了傳輸性能。測試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕪奈磧?yōu)化的2.03 MB/s提升到9.80 MB/s，已接近百兆以太網(wǎng)的極限。同時引入ACK回應(yīng)機(jī)制保障了UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

　　關(guān)鍵詞： STM32F407；LwIP/UDP；零數(shù)據(jù)拷貝；ACK

0 引言

　　基于以太網(wǎng)的嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)靈活、通用性強(qiáng)、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在許多應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用[1]。但由于嵌入式系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)[1]以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的限制[2]，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男什桓撸h(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到以太網(wǎng)傳輸?shù)睦碚搸挕Ｒ环矫嫱ㄟ^改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如利用FPGA并行處理的優(yōu)勢[2]，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩涣硪环矫妫ㄟ^分析并改進(jìn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，也可以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣萚3]。

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)由于成本資源的限制，往往采用簡化的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP協(xié)議。LwIP協(xié)議棧是TCP/IP協(xié)議的一種簡化版本，專門針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，專注于減少資源消耗，對性能優(yōu)化卻比較少，效率不是很高[4]。

　　本文通過研究、分析常用的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧LwIP的結(jié)構(gòu)[4]，針對簡單的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出一種簡單、靈活、高效的基于UDP協(xié)議的嵌入式數(shù)據(jù)傳輸效率的優(yōu)化方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧分析及改進(jìn)

　　系統(tǒng)以嵌入式微處理器STM32F407為核心，使用輕型網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議棧LwIP實(shí)現(xiàn)百兆以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。考慮到嵌入式系統(tǒng)的處理速度和資源限制，為保證高效的數(shù)據(jù)傳輸，選擇更高效的UDP協(xié)議[5]。對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕岢龌贏CK回應(yīng)的機(jī)制來改善。

　　1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　選擇意法半導(dǎo)體的微處理器STM32F407作為系統(tǒng)的核心。它采用專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M4內(nèi)核，時鐘頻率達(dá)到168 MHz，具有專門的網(wǎng)絡(luò)MAC層接口和專用于網(wǎng)絡(luò)的DMA通道，外加PHY芯片和網(wǎng)絡(luò)接口，通過網(wǎng)線就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　　1.2 LwIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　LwIP協(xié)議棧是基于分層的方式設(shè)計(jì)的，包括應(yīng)用層、IP層、傳輸層等，每一層的協(xié)議都代表一個獨(dú)立的模塊，但是為了最小限度地使用系統(tǒng)資源，模塊間使用松散的通信機(jī)制，通過共享內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)通信[6]。

　　LwIP協(xié)議棧設(shè)置了一個各層共享的內(nèi)存空間——網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)分組存在一個確定的緩沖區(qū)Data buff中，在層與層之間打包與解包的過程中傳遞的只是這個緩沖區(qū)的地址payload，只有當(dāng)數(shù)據(jù)要被發(fā)送至PHY或被應(yīng)用程序取走時才會通過數(shù)據(jù)拷貝來實(shí)現(xiàn)。LwIP協(xié)議棧使用pbuf來管理這個包緩沖區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在協(xié)議棧各層之間數(shù)據(jù)包的零拷貝。pbuf結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括包的信息、標(biāo)志、地址等，payload指針指向包緩沖區(qū)Data buff。

　　1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程分析

　　整個數(shù)據(jù)通路如圖2所示。

　　下面就LwIP協(xié)議棧UDP數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程做詳細(xì)的分析。應(yīng)用程序要利用UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，先要建立UDP會話結(jié)構(gòu)體udp_pcb，綁定本地IP地址與端口。由于udp_pcb結(jié)構(gòu)體本身很小，且在已分配好的內(nèi)存中，因此這一步執(zhí)行很快。

　　接下來，分配并建立pbuf，然后將待發(fā)送數(shù)據(jù)拷貝至pbuf緩沖區(qū)中。這個過程其實(shí)是將數(shù)據(jù)從應(yīng)用層傳遞至網(wǎng)絡(luò)層的過程，這是第一次較大數(shù)據(jù)量的內(nèi)存拷貝，占用了很多系統(tǒng)資源，降低了系統(tǒng)的性能。

　　至此，發(fā)送前基本工作準(zhǔn)備完畢，接下來發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。先要在網(wǎng)絡(luò)接口netif全局鏈表中查找網(wǎng)絡(luò)信息包將被傳輸至哪一個網(wǎng)絡(luò)接口。由于本系統(tǒng)是簡單的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，系統(tǒng)也只有一個默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)接口，因此此步驟可以省去。

　　然后進(jìn)入UDP協(xié)議傳輸層，生成UDP數(shù)據(jù)包頭；再轉(zhuǎn)入IP層，生成IP層包頭。這兩個過程不涉及數(shù)據(jù)拷貝，待發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包一直存儲在pbuf中，UDP包頭和IP包頭通過指針和數(shù)據(jù)包連接在一起。

　　生成IP包以后，需要通過DMA（Direct Memory Access）將IP包發(fā)送到鏈路層MAC控制器的FIFO中然后發(fā)送出去。這個過程中涉及第二次大的內(nèi)存拷貝，要把pbuf里的IP包拷貝到DMA控制器的發(fā)送緩存中。

　　上面分析了嵌入式LwIP協(xié)議棧收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的過程，包括數(shù)據(jù)由應(yīng)用程序傳至協(xié)議棧pbuf緩沖包（API_to_Pbuf）和從pbuf緩沖包轉(zhuǎn)移到以太網(wǎng)DMA緩沖區(qū)（Pbuf_to_DMA）時的兩次大的數(shù)據(jù)拷貝過程，數(shù)據(jù)由DMA傳輸至MAC控制器的FIFO（DMA_to_FIFO）中，還有一些內(nèi)存分配、打包解包及由于考慮協(xié)議棧的通用性而導(dǎo)致的多余開銷（Others）。

　　測試?yán)孟到y(tǒng)內(nèi)部定時器完成，傳輸1 KB的數(shù)據(jù)包，上述4個部分開銷的測試結(jié)果如表1所示。

　　如圖3所示，最大的開銷就在兩次大的數(shù)據(jù)拷貝過程，占到整個開銷的73%。有很多關(guān)于TCP/IP協(xié)議零拷貝的研究[7]，但多數(shù)對零拷貝的研究都是基于避免用戶空間與系統(tǒng)空間，與本系統(tǒng)存在的問題不太相同。其實(shí)，LwIP協(xié)議棧通過pbuf緩沖包在各層之間傳遞數(shù)據(jù)包的地址指針已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了協(xié)議棧內(nèi)部的零拷貝技術(shù)，但對于協(xié)議棧與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)拷貝并沒有過多考慮。

　　1.4 LwIP協(xié)議棧改進(jìn)

　　基于以上的分析，對于本系統(tǒng)這樣一個簡單網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，只需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對點(diǎn)通信，同時只傳輸固定格式的數(shù)據(jù)包，所以可以考慮讓網(wǎng)絡(luò)接口DMA控制器的數(shù)據(jù)緩存與協(xié)議棧pbuf緩沖包實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享，達(dá)到真正的零數(shù)據(jù)拷貝。為了實(shí)現(xiàn)DMA控制器的數(shù)據(jù)緩存與協(xié)議棧pbuf緩沖包共享內(nèi)存，將pbuf緩存包分配成PBUF_ROM類型，將pbuf緩存包的payload指針指向DMA數(shù)據(jù)緩存的地址。DMA控制器的數(shù)據(jù)緩存由系統(tǒng)分配，是一組連續(xù)的固定的內(nèi)存空間。本系統(tǒng)傳輸固定大小和格式的數(shù)據(jù)包，并只設(shè)置一個DMA緩存，使得數(shù)據(jù)包被系統(tǒng)接收以后不至于分散在多個DMA緩存中，否則將造成多個DMA緩存地址不連續(xù)而無法與緩沖包共享內(nèi)存。對于數(shù)據(jù)包頭的問題，由于本系統(tǒng)明確是UDP協(xié)議傳輸，且是點(diǎn)對點(diǎn)固定節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以在網(wǎng)絡(luò)傳輸前即將包頭設(shè)定完畢并保存下來，當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時直接應(yīng)用這個固定包頭（其中UDP包頭8 B、IP包頭20 B、MAC幀頭14 B）即可。

　　同樣通過系統(tǒng)的定時器測試4個部分的開銷，測試結(jié)果如表2所示。

　　從測試結(jié)果來看，經(jīng)改進(jìn)的主要開銷是數(shù)據(jù)由DMA搬運(yùn)到MAC控制器的FIFO的過程，避免了兩次大的內(nèi)存拷貝，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)零拷貝，大大提升傳輸效率，傳輸速度可以達(dá)到，接近百兆網(wǎng)的極限。

2 基于ACK機(jī)制的UDP可靠傳輸

　　UDP協(xié)議是一種無連接的傳輸層協(xié)議，發(fā)送端把數(shù)據(jù)發(fā)送出去以后并不關(guān)心接收端是否接收到了數(shù)據(jù)，所以雖然它效率高，但并不可靠。很多文獻(xiàn)都討論過改進(jìn)UDP協(xié)議的可靠性[8]，下面提出一種提高UDP協(xié)議傳輸可靠性的簡易方法，在占用較少系統(tǒng)資源的前提下，盡量保證系統(tǒng)的傳輸性能和可靠性。

　　TFTP是一種基于ACK包回應(yīng)機(jī)制的簡單協(xié)議，其基本思想是：發(fā)送一個UDP包以后，等收到ACK包回應(yīng)才發(fā)送下一個UDP包；在一定時間內(nèi)，如果沒有收到ACK包，即重新發(fā)送此包。這種方法固然可以改善數(shù)據(jù)的可靠傳輸，但每發(fā)送一個UDP包都多了一個ACK包回應(yīng)的開銷，降低了傳輸性能。

　　基于ACK機(jī)制，本文提出兩點(diǎn)改進(jìn)來改善UDP傳輸?shù)目煽啃裕阂环矫妫槍c(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用，基于數(shù)據(jù)零拷貝，改進(jìn)LwIP/UDP協(xié)議棧；另一方面，為了提高ACK機(jī)制的效率，發(fā)送N個數(shù)據(jù)包才回應(yīng)一個ACK包。發(fā)送端每次發(fā)送N個數(shù)據(jù)包，并將這N個包緩存起來，在規(guī)定時間內(nèi)，如果未收到ACK回應(yīng)包即重傳這N個包。雖然UDP協(xié)議存在誤碼，但誤碼率不高，因一個UDP包丟失而造成N個包都需重傳所造成的額外開銷并不明顯。具體實(shí)現(xiàn)時，需要區(qū)分ACK包和DATA包，發(fā)送數(shù)據(jù)前需在UDP包末尾追加ACK標(biāo)識和NUM序號，DATA包則在UDP數(shù)據(jù)包末尾追加DATA標(biāo)識和NUM序號。

　　收發(fā)兩端的傳輸流程如圖4所示。發(fā)送開始以后，發(fā)送端每次發(fā)送N個數(shù)據(jù)包，發(fā)送完馬上開始超時計(jì)時，等待ACK包回應(yīng)；接收端接收并解析數(shù)據(jù)包，判斷一次傳輸是否完成（NUM%N為零即代表傳輸了N個包），完成即生成并發(fā)送ACK響應(yīng)包；發(fā)送端收到ACK響應(yīng)包后再發(fā)送下一組N個數(shù)據(jù)包，如果超時，重新發(fā)送上一組的N個數(shù)據(jù)包。

　　當(dāng)每次只傳輸1個數(shù)據(jù)包時，各部分開銷分布如表3所示，采用改進(jìn)的LwIP/UDP協(xié)議，UDP部分主要開銷還是DMA_to_FIFO及其他打包解包等過程；采用ACK機(jī)制，增加了一次ACK包的生成與傳輸（Process_ACK）、兩次ACK包的解析及檢錯重傳所造成的額外開銷（Others）。

　　采用每N個包發(fā)一次ACK響應(yīng)包，減少Process_ACK的開銷，提高了傳輸效率。不同單次發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)下的傳輸速率如圖5所示，ACK機(jī)制各部分開銷比重如圖6所示。從圖5看出，隨著N的增大傳輸速率逐漸增大，但是當(dāng)N增加到12以后，速率增加趨于平緩。而從圖6可以看出，N的增加只會減少處理ACK響應(yīng)時間（Process_ACK包括生成并發(fā)送ACK包），其他3個部分耗時不會減少，故存在一個極限的速率。

　　這種改進(jìn)方法比較簡單，考慮到等待重發(fā)等因素的影響，實(shí)際的傳輸速率還要降低一些。但其效率確實(shí)顯著提高，而且通過選擇單次傳輸數(shù)據(jù)包個數(shù)N的大小，可以靈活地調(diào)整傳輸效率、改善傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 結(jié)論

　　本文詳細(xì)分析、測試嵌入式網(wǎng)絡(luò)LwIP/UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程，針對點(diǎn)對點(diǎn)的簡單網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于零數(shù)據(jù)拷貝的思想，改進(jìn)了LwIP/UDP協(xié)議，明顯提升了傳輸?shù)男阅埽瑪?shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕪奈磧?yōu)化的2.03 MB/s提升到   9.80 MB/s，已接近百兆以太網(wǎng)的極限。另外，通過引入改進(jìn)的ACK機(jī)制，改善了傳輸?shù)目煽啃裕瑢?shí)現(xiàn)了一種通用高效靈活的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化方法。

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